電子測(cè)量——音頻功率放大器技術(shù)指標(biāo)的意義與檢測(cè)方法研究

1、音頻功率放大器技術(shù)指標(biāo)的意義與檢測(cè)方法研究音頻功率放大器技術(shù)指標(biāo)的意義與檢測(cè)方法研究摘要 本文介紹了音頻功率放大器的重要技術(shù)指標(biāo)和檢測(cè)技術(shù)在功率放大器上的應(yīng)用。關(guān)鍵詞 音頻功率放大器 技術(shù)指標(biāo) 檢測(cè)技術(shù)Abstract This article describes the major technical indicators of audio power amplifiers and application of electronic measurement technology on the audio power amplifiers.Key word Audio power amplif

2、ier Electronic measurement technology一、 引言自從愛(ài)迪生在1877年發(fā)明留聲機(jī)至今已有120多年了，由當(dāng)年機(jī)械式錄音/重播系統(tǒng)發(fā)展到現(xiàn)在的高科技數(shù)碼系統(tǒng)，其中的進(jìn)步可謂翻天覆地。不過(guò)在這120多年中的音響技術(shù)發(fā)展卻是很不平均的，在發(fā)明留聲機(jī)后的大約60至80年中，音響技術(shù)的發(fā)展是相當(dāng)緩慢的不過(guò)也取得了一定的成果，例如錄放音以電動(dòng)方式取代了機(jī)械方式，開(kāi)始采用多極真空管等等。使音響技術(shù)得以快速發(fā)展是在927年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室公布了劃時(shí)代的負(fù)反饋（負(fù)回輸，NFB）技術(shù)，聲頻放大器從此開(kāi)始步入了一個(gè)新紀(jì)元。所謂高保真（High Fidelity）放大器，其鼻祖應(yīng)該

3、是追溯至1947年發(fā)表的威廉遜放大器，當(dāng)時(shí)Willianson先生在一篇設(shè)計(jì)Hi Fi放大器的文章中介紹了一種成功運(yùn)用負(fù)回輸技術(shù)，使失真降至0.5%的膽機(jī)線路，音色之靚在當(dāng)時(shí)堪稱前無(wú)古人，迅即風(fēng)靡全世界，成為了Hi Fi史上一個(gè)重要的里程碑。在威廉遜放大器面世后4年，即1951年，美國(guó)Audio雜志又發(fā)表了一篇“超線性放大器”的文章。第二年6月，又發(fā)表了一篇將威廉遜放大器超線性放大器相結(jié)合的線路設(shè)計(jì)。由於超線性設(shè)計(jì)將非線性失真大幅度降低，許多人硌起仿效，再次形成了一個(gè)熱潮。超線性設(shè)計(jì)的影響時(shí)至今日21世紀(jì)仍然存在，可以說(shuō)威廉遜放大器和超線性放大器標(biāo)志著負(fù)回輸技術(shù)在音響技術(shù)中的成熟。從那時(shí)候開(kāi)始

4、，放大器的設(shè)計(jì)和種類可謂百花爭(zhēng)艷。技術(shù)的進(jìn)步是前70年所望鹿莫及的。現(xiàn)在，音頻功率放大器主要由前置級(jí)、音調(diào)級(jí)、功率放大級(jí)3部分組成。前置級(jí)要求輸入阻抗高、輸出阻抗小、頻帶寬、噪聲??；音調(diào)級(jí)對(duì)輸入信號(hào)主要起到提升、衰減作用；功率放大級(jí)是音頻功率放大器的主要部分，它決定輸出功率的大小，要求輸出效率高，輸出功率大的特點(diǎn)。對(duì)整機(jī)的要求是失真小、噪聲低，有較好的擴(kuò)音效果。二、音頻放大器重要參數(shù)1、阻尼系數(shù)指放大器的額定負(fù)載(揚(yáng)聲器)阻抗與功率放大器實(shí)際阻抗的比值。 阻尼系數(shù)是放大器在信號(hào)消失后控制揚(yáng)聲器錐體運(yùn)動(dòng)的能力。要求，PSRR值越大越好，音頻放大器輸出音質(zhì)就越好。2、總諧波失真加噪聲(TttD+N

5、)總諧波失真(total harmonic distortion)是指一個(gè)模擬電路處理信號(hào)后，在一個(gè)特定頻率范圍內(nèi)所引入的總諧波失真量。噪聲(noise)是指通常不需要的信號(hào)。有時(shí)是由于熱或者其它物理?xiàng)l件產(chǎn)生的在線路板上的其它電氣行為(干擾)。從THD+N的定義中不難看出總諧波失真和噪聲越小越好。3、信噪比(SNR)信噪比(Signal to noi se ratio)通常指一個(gè)模擬信號(hào)中有用信號(hào)和噪聲之間的比值。4、增益(Ao)對(duì)音頻功率放大器來(lái)說(shuō)增益通常指放大器輸出功率和輸入功率之間的比值。增益越大蛻明放大器的效率越高。5、最大輸出功率(POCM)輸出功率反映了一個(gè)音頻功率放大器的負(fù)載能力

6、，通常音頻放大器廠家會(huì)提供產(chǎn)品的在一定工作電壓和額定負(fù)載下的最大輸出功率。6、白噪聲所有用來(lái)測(cè)試音箱的諧振和靈敏度的。頻率具有相同能量的隨機(jī)噪聲稱為白噪聲。 7、靈敏度對(duì)放大器來(lái)說(shuō)，一般指達(dá)到額定輸出功率或電壓時(shí)輸入端所加信號(hào)的電壓大小； 音箱的靈敏度是指在經(jīng)音箱輸入端輸入1W1KHZ信號(hào)時(shí)，在距音箱喇叭平面垂直中軸前方一米的地方所測(cè)試得的聲壓級(jí)。8、阻尼系數(shù)指放大器的額定負(fù)載(揚(yáng)聲器)阻抗與功率放大器實(shí)際阻抗的比值。 阻尼系數(shù)是放大器在信號(hào)消失后控制揚(yáng)聲器錐體運(yùn)動(dòng)的能力。三、音頻放大器重要參數(shù)測(cè)試方法（一）信噪比測(cè)量(S/N或SNR)"信號(hào)"測(cè)量一般采用的是指定輸出電平的

7、中頻段正弦信號(hào)(通常為1kHz)，"指定電平"通常是指設(shè)備的最大標(biāo)稱或標(biāo)準(zhǔn)的工作電平。"噪聲"測(cè)量必須指定測(cè)量帶寬和加權(quán)濾波器。兩個(gè)測(cè)量的比值就是設(shè)備的信噪比。如果測(cè)量?jī)x器特性包括一個(gè)"相對(duì)dB"單位，其0dB基準(zhǔn)可以設(shè)定成等于輸入信號(hào)電平值，那么信噪比的測(cè)量就比較容易了。利用這一特性，功放信噪比測(cè)量就變成如下簡(jiǎn)單的步驟：1. 建立指定的輸出參考電平并正確接好輸入端；2. 操作測(cè)量?jī)x器，使這一電平成為0dB的基準(zhǔn)值；3. 取消信號(hào)源。雖然現(xiàn)在儀表指示的就是信噪比，但是表示成負(fù)值(比如，90dB的信噪比被表示為-90dB)。（二）功放失

8、真測(cè)量方法1. 總諧波失真(THD)THD(不要與THD+N，總諧波失真加噪聲相混淆)通常是由一系列單獨(dú)諧波幅度測(cè)量結(jié)果計(jì)算出來(lái)的，而不是一次測(cè)量得到的。THD是單獨(dú)諧波幅度的平方求和開(kāi)方之后得到的。THD技術(shù)指標(biāo)一般要說(shuō)明包含在計(jì)算中的最高次諧波的次數(shù)；比如，"THD含蓋到5次諧波"。THD并不是經(jīng)常進(jìn)行的測(cè)量，因?yàn)樗笥靡粋€(gè)相當(dāng)不常用的分析儀來(lái)測(cè)量低于正常工作電平很多的某次諧波，并且要自動(dòng)或手動(dòng)計(jì)算出結(jié)果。應(yīng)注意的是，許多早期的THD+N結(jié)構(gòu)的分析儀在其面板上標(biāo)注的是THD，并且許多人在使用的實(shí)際是THD+N技術(shù)時(shí)，認(rèn)為是THD測(cè)量。2. 總諧波失真噪聲(THD+N)

9、目前最常用的失真測(cè)量方法就是THD+N技術(shù)了。其中的主要功能塊就是可調(diào)諧的陷波器。在工作時(shí)，該濾波器手動(dòng)或自動(dòng)調(diào)諧到正弦波的基波頻率上，以便基波被很大衰減。所設(shè)計(jì)的濾波器實(shí)際在2次和高次諧波處沒(méi)有插入損耗，所以諧波基本上無(wú)衰減地通過(guò)。寬帶噪聲，與AC電源有關(guān)的哼聲和任何其他處在陷波器頻率上下的干擾信號(hào)也可以無(wú)衰減地通過(guò)；這也就是"+N"(加噪聲)部分的由來(lái)。THD+N技術(shù)是極為吸引人的，因?yàn)镈UT輸出中除了純測(cè)量信號(hào)的任何成分都會(huì)使測(cè)量下降。低的THD+N測(cè)量結(jié)果不僅說(shuō)明諧波失真低，而且也說(shuō)明哼聲，干擾信號(hào)，以及寬帶白噪聲也是比測(cè)量值低(或等于測(cè)量值)。所以THD+N比任何

10、其他的失真測(cè)量技術(shù)更能說(shuō)明問(wèn)題，它只用一個(gè)數(shù)據(jù)就能說(shuō)明DUT是否存在大的問(wèn)題3. 功放THD+N的測(cè)量步驟:1) 信號(hào)源輸出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)1k 正弦波信號(hào)到功放。2) 音頻分析儀選擇THD+N功能,陷波器手動(dòng)或自動(dòng)調(diào)諧到正弦波的基波頻率.3) 現(xiàn)在儀表指示的就是THD+N 值（三）功放分離度(串音)測(cè)量方法串音一般是利用分析儀調(diào)諧到發(fā)生器頻率的帶通濾波器進(jìn)行選擇性測(cè)量，以便能測(cè)量等于或低于寬帶噪聲電平的串音。這不僅是出于理論上的考慮原因；當(dāng)信號(hào)的幅度處于寬帶噪聲電平之下10dB20dB，人耳能夠區(qū)分出象正弦波這樣的相干信號(hào)。A通道到B通道的串音與B通道到A通道的串音并不是完全一致的。兩個(gè)方向上串音具

11、有不同值通常是電路的布局和復(fù)雜的寄生電容引起的。功放分離度(串音)測(cè)量步驟：1. 信號(hào)源A通道輸出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)正弦波信號(hào)，并正確接好輸入端；2. 設(shè)置分析儀為分離度測(cè)試功能；3. B通道儀表的數(shù)據(jù)即為A?>B的串音。同理可測(cè)B->A的串音。（四）功放兩通道比率(平衡度)測(cè)量方法功放平衡度測(cè)量步驟：1. AP音頻分析器輸出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)正弦波信號(hào)到功放中，并正確接好輸入端；2. 操作測(cè)量?jī)x器，設(shè)置儀器為通道比率測(cè)試功能；3. 讀取測(cè)試結(jié)果。（五）功放頻率響應(yīng)測(cè)量方法一般測(cè)試頻率響應(yīng)時(shí)，是以1kHz時(shí)為參考電平(即為0dB),因此必須先設(shè)0dBr, 再進(jìn)行曲線的掃描。功放頻率響應(yīng)(Frequen

12、ce response)的測(cè)試步驟：1. 信號(hào)源輸出1K Hz標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)到功放中，并正確接好輸入端；2. 設(shè)置分析儀為幅度測(cè)試功能，按要求選好濾波器，并將單位設(shè)置為dBr；3. 按鍵盤(pán)上的"F4"鍵，將當(dāng)前電平設(shè)為參考電平；4. 設(shè)置掃描面板,設(shè)置掃描源為信號(hào)發(fā)生器頻率.設(shè)置好開(kāi)始與結(jié)束頻率及掃描點(diǎn)數(shù)。單擊掃描面板中的GO準(zhǔn)備進(jìn)行掃描；5.保存測(cè)量數(shù)據(jù)與曲線圖。（六）功放互調(diào)失真測(cè)量方法由于干擾之間互相調(diào)制作用對(duì)有用信號(hào)引起的失真稱為互調(diào)失真(Intermodulation Distortion)或互調(diào)干擾。所有互調(diào)失真的測(cè)量技術(shù)中使用的激勵(lì)信號(hào)都不止單個(gè)簡(jiǎn)單的正弦信號(hào)。

13、在專業(yè)音響、廣播和消費(fèi)類音響等領(lǐng)域，用兩個(gè)正弦波作為激勵(lì)信號(hào)來(lái)進(jìn)行互調(diào)失真的測(cè)量。任意兩個(gè)頻率分別為F1和F2的正弦信號(hào)作用于非線性器件時(shí)，會(huì)產(chǎn)生出原有的兩個(gè)正弦波再加上無(wú)數(shù)個(gè)互調(diào)失真項(xiàng)，即無(wú)數(shù)個(gè)組合頻率分量，如下式：mF1±nF2其中m、n為任意正整數(shù)。任意特定的互調(diào)失真(IMD)項(xiàng)的階數(shù)即m與n的和。下面列出一些互調(diào)失真項(xiàng)的階數(shù)：F1-F2 2階(偶次)F1+F2 2階(偶次)2F1-F2 3階(奇次)F1-2F2 3階(奇次)2F1+F2 3階(奇次)3F1-F2 4階(偶次)3F1+2F2 5階(奇次)等。這里"奇次"和"偶次"指的是m

14、+n是奇數(shù)還是偶數(shù)。互調(diào)失真的測(cè)量方法實(shí)際上是對(duì)諧波電壓分量的測(cè)量1. SMPTE/DIN互調(diào)失真在專業(yè)、廣播及消費(fèi)類音響領(lǐng)域，SMPTE(Society of Motion Picture and Television Engineers)和DIN(Deutsches Institut fur Normung e.V.)方法是最普通的互調(diào)失真測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。SMPTE標(biāo)準(zhǔn)RP120-1983和DIN標(biāo)準(zhǔn)45403很相似。兩者均規(guī)定用兩個(gè)正弦波測(cè)試信號(hào)，一個(gè)是低頻率高幅度信號(hào)，另一個(gè)是高頻率信號(hào)但幅度是低頻率信號(hào)的四分之一。SMPTE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定信號(hào)頻率分別為60Hz和7kHz。而DIN標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了幾種可

15、選擇的高、低頻頻率，250Hz和8kHz是其中最常用的一組頻率。有時(shí)也要用到其它類似于SMPTE和DIN標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)，如70Hz和7kHz信號(hào)。當(dāng)上述的雙音頻測(cè)試信號(hào)作用于非線性器件時(shí)，在高音頻周圍就會(huì)產(chǎn)生邊帶分量群。高音頻和第一對(duì)邊帶(二階邊帶，F(xiàn)1±F2)之間相差正好是低音頻的頻率值，第二對(duì)邊帶(三階邊帶，F(xiàn)1±2F2)與高頻之間相差正好是低音頻頻率值的兩倍等等。互調(diào)失真定義為這些邊帶的調(diào)幅值與高頻載波調(diào)幅值之比的百分值。2. 功放互調(diào)失真的測(cè)試步驟：a. 信號(hào)源輸出IMD信號(hào)到功放中，并正確接好輸入端；b. 操作測(cè)量?jī)x器，設(shè)置儀器為IMD測(cè)試功能；c. 讀取測(cè)試結(jié)果。四

16、、分別對(duì)實(shí)驗(yàn)箱里兩種功率放大器進(jìn)行測(cè)試（1）連接電路（2）觀察電壓增益的變化 1、8兩端開(kāi)路，電壓增益約為20倍。 1、8之間僅接一個(gè)大電容，則相當(dāng)于交流短路，電壓增益約為200倍。1、8兩端之間接入不同阻值的電阻，即可得到20 100之間的電壓增益。注意：但接入電阻時(shí)必須與一個(gè)大電容串聯(lián)。輸入電壓小于200mV實(shí)驗(yàn)電路：（3）檢測(cè)輸出功率1、8兩端開(kāi)路（電壓增益約為20倍）。輸入1KHz的交流信號(hào)，調(diào)到輸出最大不失真狀態(tài)，測(cè)量輸出電壓。（4）檢測(cè)效率（5）輸入電阻（6）觀察負(fù)載電阻對(duì)輸出電壓的影響引腳6接直流電源V+，4接地。交流輸入信號(hào)加在LM386的同相輸入端，而反相輸入端接地。輸出端通

17、過(guò)一個(gè)1000F的大電容接到負(fù)載電阻（揚(yáng)聲器），組成OTL準(zhǔn)互補(bǔ)對(duì)稱電路。1、8兩端之間接入一個(gè)10F的電容，此時(shí)電壓增益約為200倍。輸出端接入電阻與電容的串聯(lián)回路，使負(fù)載接近于純電阻。避免電路產(chǎn)生自激振蕩或出現(xiàn)過(guò)電壓。五、 實(shí)驗(yàn)箱里兩種功率放大器實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析（1）集成功率放大器f=1kHz ui=200mv uo=385mv RL=5.1k P=2.83*10-5 w 增益 Ui=20mv U0=385mv U0=Au=U0/Ui=19信噪比 Un=2mv U0=385mv S/N=20lgU0/UN=25.58頻率響應(yīng) FH=103k FL=10Hz（2）功率放大器f=1kHz ui=2

18、5mv uo=3.09v RL=8 P=1.20*10-3 w增益 Ui=20mv U0=3.30 U0=Au=U0/Ui=165信噪比 Un=2mv U0=3.09v S/N=20lgU0/UN=44.34頻率響應(yīng) FH=110k FL=10Hz六、各測(cè)試方法的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)的成本低，操作簡(jiǎn)單快捷。缺點(diǎn)：由于測(cè)試電路本身存在的誤差和元件參數(shù)等，實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性不夠高。七、功率放大電路和集成電路的優(yōu)缺點(diǎn)功率放大電路是一種能量轉(zhuǎn)換電路，要求在失真許可的范圍內(nèi)，高效地為負(fù)載提供盡可能大的功率，功放管的工作電流、電壓的變化范圍很大，那么三極管常常是工作在大信號(hào)狀態(tài)下或接近極限運(yùn)用狀態(tài)，有甲類、乙類、甲

19、乙類等各種工作方式。為了提高效率，將放大電路做成推挽式電路，功放管的工作狀態(tài)設(shè)置為甲乙類，以減小交越失真。常見(jiàn)的音頻功放電路在連接形式上主要有雙電源互補(bǔ)推挽功率放大器OCL（無(wú)輸出電容）、單電源互補(bǔ)推挽功率放大器OTL（無(wú)輸出變壓器）、平衡（橋式）無(wú)變壓器功率放大器BTL等。由于功放管承受大電流、高電壓，因此功放管的保護(hù)問(wèn)題和散熱問(wèn)題必須重視。功率放大器可以由分立元件組成，也可由集成電路實(shí)現(xiàn)。 隨著集成電路制造技術(shù)的發(fā)展，集成功率放大器的性能不斷提高。當(dāng)前，出現(xiàn)了許多用于中小型直流電機(jī)及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的性能優(yōu)良的集成電路產(chǎn)品。而且，集成功放電路成熟，低頻性能好，內(nèi)部設(shè)計(jì)具有復(fù)合保護(hù)電路，可以增加其工作的可靠性，尤其集成厚膜器件參數(shù)穩(wěn)定、反